2級(jí)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)中超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦試驗(yàn)研究

趙 坤 ，何立明，曾 昊 ，趙晨瑞 ，張勝利，王 浩 ，邱海濤

（1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安710038；2.中國(guó)人民解放軍某部隊(duì)，河北滄州061700；3.中國(guó)人民解放軍某部隊(duì)，烏魯木齊830075）

0 引言

2級(jí)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（Two-stage Pulses Detonation Engine，2-stage PDE）[1-3]是 1種基于凹面腔內(nèi)連續(xù)超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦起爆爆震的新型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)，由俄羅斯的科研人員首次提出。2-stage PDE主要由1級(jí)預(yù)燃裝置和2級(jí)激波聚焦起爆爆震裝置2部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、不需要額外起爆裝置和機(jī)械閥門及爆震頻率高等優(yōu)點(diǎn)。其工作過程分為2個(gè)階段:燃油和空氣混合在1級(jí)預(yù)燃裝置中富油燃燒，產(chǎn)生大量化學(xué)活性高的小分子化合物；小分子化合物與新鮮空氣混合成更易燃的混合氣并在通道中形成環(huán)形超聲速射流，超聲速射流在凹面腔內(nèi)對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦并起爆爆震。其中，超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦是2-stage PDE中最關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)，也是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

自從俄羅斯的Levin教授[4]帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)首次在2-stage PDE樣機(jī)成功起爆連續(xù)爆震后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)2-stage PDE進(jìn)行了大量研究，并取得了一定研究成果。美國(guó)的GE研究中心的Leyva等[5]在2003年對(duì)基于冷態(tài)條件下2維凹面腔內(nèi)超聲速射流對(duì)撞進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬，通過分析在不同射流噴管入口寬度和凹面腔出口寬度條件下的試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)射流摻混現(xiàn)象以及聲學(xué)共振現(xiàn)象，但是沒有觀測(cè)到激波聚焦，凹面腔底部的壓力脈動(dòng)幅值也很??；日本的Taki和Fujiwara等[6]通過數(shù)值模擬研究了環(huán)形超聲速射流聚心碰撞誘導(dǎo)激波聚焦起爆爆震的過程，發(fā)現(xiàn)每2次聚焦會(huì)產(chǎn)生1次爆震，爆震頻率穩(wěn)定在5 Hz，與凹面腔內(nèi)溫度相關(guān)。國(guó)內(nèi)科研人員也對(duì)2-stage PDE相關(guān)技術(shù)進(jìn)行大量研究。空軍工程大學(xué)的何立明團(tuán)隊(duì)相繼開展了暫沖式激波聚焦起爆爆震和連續(xù)超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦起爆爆震的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究；李海鵬、榮康等[7-8]對(duì)凹面腔內(nèi)激波聚焦起爆爆震進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了激波聚焦起爆爆震的過程；張強(qiáng)等[9]以Brayton循環(huán)和理想爆震循環(huán)為基礎(chǔ)，建立和分析了2級(jí)脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的理想熱力循環(huán)；曾昊、榮康等[8，10-12]開展凹面腔、尾噴管、射流噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)以及射流參數(shù)對(duì)激波聚焦及起爆爆震影響規(guī)律的研究；南京理工大學(xué)等的研究人員[13-15]也對(duì)2-stage PDE開展了相關(guān)研究，并取得了一定成果。但是目前而言，在2-stage PDE樣機(jī)中進(jìn)行連續(xù)超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦的試驗(yàn)還比較少，樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和射流參數(shù)對(duì)激波聚焦的影響規(guī)律還不夠明確，不利于對(duì)2-stage PDE的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)爆震。

本文在文獻(xiàn) [8，11，16]研究的基礎(chǔ)上，利用2-stage PDE試驗(yàn)系統(tǒng)在冷態(tài)條件下開展連續(xù)超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦的試驗(yàn)，揭示噴口寬度、導(dǎo)流環(huán)深度、凹面腔開口端與噴口間距、尾噴管角度、射流入射總壓等參數(shù)對(duì)激波聚焦的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

2-Stage PDE激波聚焦起爆爆震試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物照片如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)以及原理樣機(jī)。其中供氣系統(tǒng)主要包括2臺(tái)單螺桿空氣壓縮機(jī)、空氣過濾器、干燥機(jī)、儲(chǔ)氣罐以及相應(yīng)的供氣管路。各油路和各氣路流量的控制與顯示和點(diǎn)火器的控制均通過控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量系統(tǒng)主要用于測(cè)量燃油及空氣流量、射流進(jìn)口總壓、凹面腔底部、環(huán)形射流噴管壁面以及測(cè)速管內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力。其中動(dòng)態(tài)壓力由CYG41000WX型單晶硅式動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量，通過示波器顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，其中示波器的采樣頻率為100 kHz，采樣時(shí)間為10 s。

凹面腔起爆段是原理樣機(jī)的核心部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，W為噴口寬度，d為導(dǎo)流環(huán)深度，L為凹面腔開口端與噴口間距，α為尾噴管角度，D為凹面腔開口直徑。在凹面腔底部A點(diǎn)布置動(dòng)態(tài)壓力傳感器，分別在不同工況條件下進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)并測(cè)量A點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物

圖2 核心試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 不同噴口寬度時(shí)的峰值壓力

2.1 噴口寬度對(duì)激波聚焦的影響

在射流入射總壓 pin=0.73 MPa、d=5 mm、L=0 mm、凹面腔結(jié)構(gòu)方程為x2+y2+z2=272mm2且D=50 mm（凹面腔為直徑27 mm的球形表面，且切面直徑為50 mm）、不安裝尾噴管的條件下，在W=2、3、4、5、6、7.5、8.7、10、12、13.7 mm 時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量凹面腔底部的動(dòng)態(tài)壓力。在W從2 mm增大到13.7 mm時(shí)測(cè)得的凹面腔底部峰值壓力對(duì)比如圖3所示。從圖中可見，隨著噴口寬度的增大，凹面腔底部峰值壓力整體上逐漸增大，這主要是因?yàn)閲娍趯挾仍酱?，射流的入射?qiáng)度越大，射流對(duì)撞后產(chǎn)生的激波強(qiáng)度越大，凹面腔底部激波聚焦強(qiáng)度越大。當(dāng)噴口寬度從2 mm增大到13.7 mm時(shí)，凹面腔底部峰值壓力的整體變化趨勢(shì)為從0.4829 MPa增大到0.6366 MPa，但峰值壓力的增長(zhǎng)速度逐漸減小，這是因?yàn)殡m然噴口寬度增大使射流強(qiáng)度增大，但是同時(shí)也會(huì)使射流對(duì)撞區(qū)域的面積增加，射流對(duì)撞時(shí)能量逐漸分散，對(duì)撞激波強(qiáng)度的增大趨勢(shì)逐漸變小，導(dǎo)致激波聚焦強(qiáng)度的增大逐漸變緩。

2.2 導(dǎo)流環(huán)深度對(duì)激波聚焦的影響

在 pin=0.71 MPa、W=6 mm、L=0 mm、凹面腔結(jié)構(gòu)方程為x2+y2+z2=372mm2且D=70 mm（凹面腔為直徑37 mm的球形表面，且切面直徑為70 mm）、不安裝尾噴管的條件下，在 d=-11、-7.5、-5、0、2、5、7.5、11、15 mm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量凹面腔底部的動(dòng)態(tài)壓力，得到峰值壓力對(duì)比如圖4所示。從圖中可見，隨著導(dǎo)流環(huán)深度的逐漸增大，凹面腔底部的峰值壓力逐漸增大。超聲速射流在環(huán)形射流噴管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受到兩側(cè)壁面的約束，從噴口噴出后兩側(cè)壁面的約束消失，超聲速射流向凹面腔內(nèi)和外部環(huán)境分散，導(dǎo)致射流對(duì)撞時(shí)的能量減小。當(dāng)導(dǎo)流環(huán)深度為負(fù)值時(shí)，右側(cè)壁面對(duì)射流的約束作用減弱，射流提前向外部環(huán)境分散，導(dǎo)致射流對(duì)撞區(qū)域的能量較小，凹面腔底部激波聚焦的強(qiáng)度較??；而當(dāng)導(dǎo)流環(huán)深度為正值時(shí)，右側(cè)壁面對(duì)射流的約束作用增強(qiáng)，導(dǎo)流環(huán)深度越大，約束作用越明顯，射流在對(duì)撞前分散越少，對(duì)撞區(qū)域能量越大，凹面腔底部的激波聚焦強(qiáng)度越大。

圖4 不同導(dǎo)流環(huán)深度時(shí)的峰值壓力

2.3 凹面腔開口端與噴口間距對(duì)激波聚焦的影響

在 pin=0.72 MPa、W=6 mm、d=5 mm、凹面腔結(jié)構(gòu)方程為x2+y2+z2=272mm2且D=50 mm（凹面腔為直徑27 mm的球形表面，且切面直徑為50 mm）、不安裝尾噴管的條件下，在L=0、2、4、6 mm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量凹面腔底部的動(dòng)態(tài)壓力，凹面腔底部峰值壓力的變化曲線如圖5所示。從圖中可見，隨著L的增大，凹面腔底部峰值壓力逐漸增大，但是變化并不明顯。當(dāng)L在0～6 mm之間變化時(shí)，凹面腔底部峰值壓力從0.6045 MPa增大到0.6361 MPa，僅僅增大了0.0296 MPa。根據(jù)榮康等[13]的研究結(jié)果，激波入射方向與凹面腔壁面法線方向的夾角越小，在垂直壁面方向入射的激波強(qiáng)度越大。而當(dāng)L增大時(shí)，前導(dǎo)激波運(yùn)動(dòng)至凹面腔底部時(shí)其入射方向與凹面腔壁面法線的夾角減小，在垂直壁面方向入射的的激波強(qiáng)度增大，導(dǎo)致激波聚焦效果增強(qiáng)，凹面腔底部測(cè)得的峰值壓力增大。

圖5 不同凹面腔開口端與噴口間距時(shí)的峰值壓力

2.4 尾噴管角度對(duì)激波聚焦的影響

在 pin=0.74 MPa、W=6 mm、d=0 mm、L=0 mm、凹面腔結(jié)構(gòu)方程為x2+y2+z2=272且D=50 mm、安裝尾噴管的條件下，在 α=15°、30°、45°時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量凹面腔底部的動(dòng)態(tài)壓力。凹面腔底部峰值壓力隨尾噴管角度的變化曲線如圖6所示。從圖中可見，隨著α的增大，凹面腔底部峰值壓力逐漸減小。導(dǎo)致這種變化的原因是尾噴管角度增大導(dǎo)致出口面積的增大，射流向噴管外更容易分散，射流對(duì)撞區(qū)域的能量減小，凹面腔底部激波聚焦強(qiáng)度減小。同時(shí)可見，隨著尾噴管角度從15°增大到30°，凹面腔底部峰值壓力減小幅度很小，只有0.032 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的分析，凹面腔內(nèi)起爆的爆震波傳播至尾噴管時(shí)，尾噴管獲得較大的沖量，當(dāng)尾噴管角度從20°增大到 50°時(shí)，尾噴管沖量從0.2255 N·s增大到0.8287 N·s。考慮到增大尾噴管角度能顯著提高尾噴管沖量，其對(duì)凹面腔底部壓力峰值的影響則可以忽略不計(jì)。

圖6 不同尾噴管角度時(shí)的峰值壓力

2.5 射流入射壓力對(duì)激波聚焦的影響

在W=6 mm、d=5 mm、L=0 mm、凹面腔結(jié)構(gòu)方程為x2+y2+z2=272且D=50 mm、不安裝尾噴管的條件下，在 pin=0.23、0.39、0.47、0.60、0.75 MPa 時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量凹面腔底部的動(dòng)態(tài)壓力。凹面腔底部峰值壓力隨pin的變化曲線如圖7所示。從圖中可見，隨著射流入射壓力的增大，凹面腔底部的峰值壓力逐漸增大。射流入射壓力越大，從環(huán)形噴管流出的射流能量越大，射流對(duì)撞后產(chǎn)生的對(duì)撞激波強(qiáng)度越大，激波聚焦的效果越好，凹面腔底部的峰值壓力越大。

圖7 不同射流入射壓力時(shí)的峰值壓力

3 結(jié)論

本文在冷態(tài)條件下開展連續(xù)超聲速射流對(duì)撞誘導(dǎo)激波聚焦的試驗(yàn)，揭示噴口寬度、導(dǎo)流環(huán)深度、凹面腔開口端與噴口間距、尾噴管角度、射流入射總壓等參數(shù)對(duì)激波聚焦的影響，得出如下結(jié)論:

（1）噴口寬度、導(dǎo)流環(huán)深度、凹面腔開口端與噴口間距、射流入射壓力越大，凹面腔底部峰值壓力越大，激波聚焦效果越好；尾噴管角度越大，凹面腔底部峰值壓力越小，激波聚焦效果越差。

（2）噴口寬度、導(dǎo)流環(huán)深度、射流入射壓力對(duì)激波聚焦的影響較大，凹面腔開口端與噴口間距、尾噴管角度對(duì)激波聚焦的影響較小。合理優(yōu)化2-stage PDE結(jié)構(gòu)尺寸，有利于增強(qiáng)激波聚焦效果并實(shí)現(xiàn)連續(xù)爆震。